CN114435155B - 基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法 - Google Patents

基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法，包括以下步骤：步骤1：控制任意时刻的燃料电池和电池的功率输出满足负载的功率需求；步骤2：控制电池初始和最终的充电状态；步骤3：计算燃料电池的功率损耗Ploss_fc；步骤4：计算电池的功率损耗Ploss_ba；步骤5：结合步骤3和步骤4燃料电池和电池的功率损耗，得到两者整体的功率损耗Ploss；步骤6：利用凸优化和考虑降低燃料电池输出功率变化率，计算燃料电池电流参考值。本发明是实时能量控制，获得系统功率损耗最小化，并且达到降低燃料电池功率输出的变化率，从而提升燃料电池的寿命。

Description

基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池和电池混合动力的领域，尤其涉及一种基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法。
背景技术
混合动力系统的能量管理主要目的是在满足负载功率需求的前提下，给出不同能量源的输出功率参考值，从而使得整个系统运行稳定并且在给定目标下最优化。燃料电池和电池的混合动力系统的给定目标一般为，燃料电池的耗氢量最低、燃料电池输出的变化率低和电池不会过充过放，从而使得整体系统最优化运行。
现有的技术主要分为两类：离线优化和在线实时的能量管理策略。离线优化的前提是能量管理系统提前知道全部的负载变化，从而可以针对全部的负载，进行全局优化。而在线实时的能量管理是不知道未来的负载变化，需要在系统运行时，根据系统的状态实时给出燃料电池和电池的功率输出，无法采用优化算法，是实际工程应用中的能量管理策略。
在现有的能量管理方案中，离线优化的方案，虽然能够给出全局的最优能量分配，但是需要提前知道全部的负载变换，在实际工程应用中不可能实现，即使采用一定的负载预测方法也不可能知道准确的负载变化。因此，离线优化的方案无法在实际实时运行的系统中应用，只能提供一个最优的参考。
而传统在线实时的能量管理系统，因为无法知道全部的负载变化，从而不能给出全局的最优化。传统在线实时的方案无法利用优化算法，所以实时的能量管理系统一般采用经验设计方法，如基于规则的或模糊控制的方案，具体的控制参数选择，取决于设计者的经验和知识，无法保证结果的最优。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法，包括以下步骤：
步骤1：控制任意时刻的燃料电池和电池的功率输出后针对负载的功率，其中负载功率公式如下：
Pload＝Pload_fc+Pload_ba (1)
其中，负载的功率为Pload，
燃料电池和电池的输出功率分别为Pload_fc和Pload_ba；
步骤2：控制电池初始和最终的充电状态，即以转化为电池在一次运行后功率的积分等于0，公式如下：
Figure BDA0003549135550000021
步骤3：计算燃料电池的功率损耗Ploss_fc，其公式如下：
Figure BDA0003549135550000022
其中，
mfc为燃料电池dc/dc变换器的变比；
vdc和ifc分别为直流母线电压和燃料电池输出电流；
ηfc为燃料电池dc/dc变换器效率；
Rfc为燃料电池等效内电阻；
步骤4：计算电池的功率损耗Ploss_ba，其公式如下：
Figure BDA0003549135550000023
其中，
mba为电池dc/dc变换器的变比；
vdc和iba分别为直流母线电压和电池输出电流；
ηba为电池dc/dc变换器效率；
Rba为电池等效内电阻；
步骤5：结合步骤3和步骤4燃料电池和电池的功率损耗，得到两者整体的功率损耗Ploss，其公式如下：
Figure BDA0003549135550000024
步骤6：利用凸优化降低燃料电池输出功率变化率，计算燃料电池电流参考值，依据步骤5中的公式(5)，构造拉格朗日函数为：
Figure BDA0003549135550000031
其中，将公式(6)在一段时间内平均化，即在每段时间内将公式(6)作为目标函数进行优化，则转化后的公式如下：
Figure BDA0003549135550000032
其中，λ为拉格朗日常数；
Figure BDA0003549135550000033
为平均化后的负载电流；
在对ifc求得最小值后，即得到的最小值为全局的最小，即整理可得：
Figure BDA0003549135550000034
公式(8)给出了，在一段时间内，即iload平均化的时间段内，使得混合动力系统功率损耗最小的解析解，其中，λ的物理含义可以理解为用于补偿电池的充电状态平衡，从燃料电池做功的等效损耗，于是，根据电池的充电状态获得一个λ，然后通过公式(8)求得最优的ifc的参考值，而λ的初始值可以由将式(8)带回充电状态平衡公式(2)中获得，为：
Figure BDA0003549135550000035
基于上述公式(1)至公式(9)，电池的充电状态参考值和当前实时充电状态的差，电池的充电状态可以由系统给出，而充电状态的差值经过一个比例控制器P得到，从而给出拉格朗日常数的变化量Δλ，并与拉格朗日常数的初始值λ0结合，生成实时的经过补偿充电状态变化后的λ，接着，充电状态的P控制器产生的λ可以通过公式(8)来计算出最优化的ifc参考值。
优选地，所述的一种基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法，所述步骤6中的公式(7)的最小值可由对该式求对ifc的偏微分得到。
优选地，所述的一种基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法，所述比例调节器P的数值选择决定了λ对实时充电状态与充电状态参考值差值的敏感性，充电状态的变换慢，当比例调节器P选择大于1时，λ的变化会比快速去补偿充电状态，因此充电状态的变换范围会比较小，而当比例调节器P选择小于1时，充电状态的变化范围比较大。
优选地，所述的一种基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法，所述公式(8)中需要的平均化后的负载电流
Figure BDA0003549135550000041
可以由一个低通滤波器获得。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明可以将混合动力系统的功率损耗函数构造成凸函数，并且利用凸函数的特性得出了最优的燃料电池输出电流的解析解，给出了针对整体系统损耗的最优解以及实时应用的方法。通过最优燃料电池的解析解，本发明提出了具体的能量管理系统控制框图，其中引入了低通滤波器，使得燃料电池的输出只含有相对的低频量，所以在系统损耗最低即耗氢量最低的基础上，保证了燃料电池的寿命。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明的燃料电池和电池混合动力系统；
图2是本发明的燃料电池系统输出简化模型电路图；
图3是本发明燃料电池系统电压-电流曲线；
图4是本发明电池简化模型电路图；
图5是本发明电池电压-电流曲线；
图6是本发明的能量控制框图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或竖直，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例
如图1所示，
一种基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法，包括以下步骤：
步骤1：控制任意时刻的燃料电池和电池的功率输出后针对负载的功率，其中负载功率公式如下：
Pload＝Pload_fc+Pload_ba (1)
其中，负载的功率为Pload，
燃料电池和电池的输出功率分别为Pload_fc和Pload_ba；
步骤2：控制电池初始和最终的充电状态，即以转化为电池在一次运行后功率的积分等于0，公式如下：
Figure BDA0003549135550000061
步骤3：计算燃料电池的功率损耗Ploss_fc，其公式如下：
Figure BDA0003549135550000062
其中，
mfc为燃料电池dc/dc变换器的变比；
vdc和ifc分别为直流母线电压和燃料电池输出电流；
ηfc为燃料电池dc/dc变换器效率；
Rfc为燃料电池等效内电阻；
步骤4：计算电池的功率损耗Ploss_ba，其公式如下：
Figure BDA0003549135550000063
其中，
mba为电池dc/dc变换器的变比；
vdc和iba分别为直流母线电压和电池输出电流；
ηba为电池dc/dc变换器效率；
Rba为电池等效内电阻；
步骤5：结合步骤3和步骤4燃料电池和电池的功率损耗，得到两者整体的功率损耗Ploss，其公式如下：
Figure BDA0003549135550000071
步骤6：利用凸优化和考虑降低燃料电池输出功率变化率，计算燃料电池电流参考值，依据步骤5中的公式(5)，构造拉格朗日函数为：
Figure BDA0003549135550000072
其中，将公式(6)在一段时间内平均化，即在每段时间内将公式(6)作为目标函数进行优化，则转化后的公式如下：
Figure BDA0003549135550000073
其中，λ为拉格朗日常数；
Figure BDA0003549135550000074
为平均化后的负载电流；
在对ifc求得最小值后，即得到的最小值为全局的最小，即整理可得：
Figure BDA0003549135550000075
公式(8)给出了，在一段时间内，即iload平均化的时间段内，使得混合动力系统功率损耗最小的解析解，其中，λ的物理含义可以理解为用于补偿电池的充电状态平衡，从燃料电池做功的等效损耗，于是，根据电池的充电状态获得一个λ，然后通过公式(8)求得最优的ifc的参考值，而λ的初始值可以由将式(8)带回充电状态平衡公式(2)中获得，为：
Figure BDA0003549135550000076
基于上述公式(1)至公式(9)，电池的充电状态参考值和当前实时充电状态的差，电池的充电状态可以由系统给出，而充电状态的差值经过一个比例控制器P得到，从而给出拉格朗日常数的变化量Δλ，并与拉格朗日常数的初始值λ0结合，生成实时的经过补偿充电状态变化后的λ，接着，充电状态的P控制器产生的λ可以通过公式(8)来计算出最优化的ifc参考值。
在上述步骤2和3中，燃料电池系统的输出特性的简化模型如图2所示，由一个开路电压Vfc0和一个燃料电池内电阻Rfc，这两个参数可以从燃料电池系统的输出电压-电流曲线获得，如图3所示。而燃料电池与负载通过一个dc/dc变换器连接，其效率可记为ηfc。
电池的简化模型如图4所示，也可由一个开路电压Vba0和一个电池内阻Rba组成，同时其输出电压-电流曲线如图5所示。电池的输出也与一个dc/dc变化器连接到负载，其效率记为ηba。
本发明中所述步骤6中的公式(7)的最小值可由对该式求对ifc的偏微分得到。
本发明中所述比例调节器P的数值选择决定了λ对实时充电状态与充电状态参考值差值的敏感性，充电状态的变换慢，当比例调节器P选择大于1时，λ的变化会比快速去补偿充电状态，因此充电状态的变换范围会比较小，而当比例调节器P选择小于1时，充电状态的变化范围比较大。
本发明中所述公式(8)中需要的平均化后的负载电流
Figure BDA0003549135550000081
可以由一个低通滤波器获得，这一步既保证了式(6)到(7)的转化，同时也消除了负载电流中的高频分量，降低了燃料电池输出的变化率，从而保证了燃料电池的输出相对稳定。
本发明中低通滤波器的实现可以是简单的一阶低通滤波器，也可以是高阶的低通滤波器，抑或是移动平均滤波器。总而言之，只要能实现低通的滤波器均可应用于其中，而其截止频率和带宽的选择取决于系统设计对燃料电池输出变换率的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：控制任意时刻的燃料电池和充电电池的功率输出后针对负载的功率，其中负载功率公式如下：
Pload＝Pload fc+Pload ba (1)
其中，负载的功率为Pload，
燃料电池和充电电池的输出功率分别为Pload_fc和Pload_ba；
步骤2：控制充电电池初始和最终的充电状态，即以转化为电池在一次运行后功率的积分等于0，公式如下：
Figure FDA0004143842710000011
其中，t0和tfinal分别为一次运行的起始和结束时间，
充电电池的输出功率为Pba；
步骤3：计算燃料电池的功率损耗Ploss_fc，其公式如下：
Figure FDA0004143842710000012
其中，mfc为燃料电池dc/dc变换器的变比；
vdc和ifc分别为直流母线电压和燃料电池输出电流；
ηfc为燃料电池dc/dc变换器效率；
Rfc为燃料电池等效内电阻；
步骤4：计算充电电池的功率损耗Ploss_ba，其公式如下：
Figure FDA0004143842710000013
其中，mba为充电电池dc/dc变换器的变比；
vdc和iba分别为直流母线电压和充电电池输出电流；
ηba为充电电池dc/dc变换器效率；
Rba为充电电池等效内电阻；
步骤5：结合步骤3和步骤4燃料电池和充电电池的功率损耗，得到两者整体的功率损耗Ploss，其公式如下：
Figure FDA0004143842710000014
步骤6：利用凸优化降低燃料电池输出功率变化率，计算燃料电池电流参考值，依据步骤5中的公式(5)，构造拉格朗日函数为：
Figure FDA0004143842710000021
其中，将公式(6)在一段时间内平均化，即在每段时间内将公式(6)作为目标函数进行优化，则转化后的公式如下：
Figure FDA0004143842710000022
其中，λ为拉格朗日常数；
Figure FDA0004143842710000023
为平均化后的负载电流；
在对ifc求得最小值后，即得到的最小值为全局的最小，即整理可得：
Figure FDA0004143842710000024
公式(8)给出了，在一段时间内，即iload平均化的时间段内，使得混合动力系统功率损耗最小的解析解，其中，λ的物理含义理解为用于补偿充电电池的充电状态平衡，从燃料电池做功的等效损耗，于是，根据充电电池的充电状态获得一个λ，然后通过公式(8)求得最优的ifc的参考值，而λ的初始值由将式(8)带回充电状态平衡公式(2)中获得，为：
Figure FDA0004143842710000025
基于上述公式(1)至公式(9)，充电电池的充电状态参考值和当前实时充电状态的差，充电电池的充电状态由系统给出，而充电状态的差值经过一个比例调节器P得到，从而给出拉格朗日常数的变化量Δλ，并与拉格朗日常数的初始值λ0结合，生成实时的经过补偿充电状态变化后的λ，接着，充电状态的P控制器产生的λ通过公式(8)来计算出最优化的ifc参考值。
2.根据权利要求1所述的一种基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法，其特征在于：所述步骤6中的公式(7)的最小值可由对该式求对ifc的偏微分得到。
3.根据权利要求1所述的一种基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法，其特征在于：所述比例调节器P的数值选择决定了λ对实时充电状态与充电状态参考值差值的敏感性，充电状态的变换慢，当比例调节器P选择大于1时，λ的变化会比快速去补偿充电状态，因此充电状态的变换范围会比较小，而当比例调节器P选择小于1时，充电状态的变化范围比较大。
4.根据权利要求1所述的一种基于凸函数的燃料电池和电池混合动力系统能量控制方法，其特征在于：所述公式(8)中需要的平均化后的负载电流
Figure FDA0004143842710000031
由一个低通滤波器获得。
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微电网逆变器无线网络控制系统关键技术研究;柯程虎;《中国博士学位论文全文数据库》(第2022年第01期期);全文 *
适用于燃料电池混合供电系统的能量管理策略;冯茂;马辉;赵金刚;危伟;;电力科学与工程(第12期);全文 *

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